广深港高铁60-12号可动心轨辙叉单开道岔设计

袁宝军

(中铁宝桥集团有限公司,陕西 宝鸡 721006)

0 引言

作为高度发达的经济体,香港拥有高效的公海空交通体系,但缺少高速铁路这一现代化的交通工具。广深港高速铁路(香港段)以西九龙站为起点,连接深圳和广州,与国家高铁网络相连接,其建设意义重大。2018年9月年通车运营后,习近平主席在2019年新年贺词中称“香港进入了全国高铁网”。2022年6月30日,习近平主席乘专列从广深港高铁抵达香港。

1 工程概况

广深港高速铁路(香港段)为客运专线、双线电气化,考虑线路里程和经济速度等因素,线路设计速度200 km/h。正线为预应力轨枕埋入式无砟轨道,线路设计铺设1 435 mm轨距60 kg/m钢轨12号单开道岔,设计直向通过速度200 km/h、侧向通过速度50 km/h。道岔设计、制造执行欧洲铁路道岔设计标准(即EN标准)。

目前,在铁路干线上使用的200 km/h,60 kg/m钢轨12号道岔主要结构特征为:60AT1尖轨、60AT1组合单肢弹性可弯心轨、锻造或轧制特种断面翼轨、多机多点牵引,钩型外锁、部分心轨设置转换凸缘及有砟轨道基础等。线路运营表明,该类道岔主要病害有:曲线尖轨尖端轨头磨耗严重;尖、心轨传力部件不能充分适应无缝道岔轨温变化,因尖、心轨伸缩位移控制不到位引起电务锁闭机构卡阻;转换阻力不足及位移大;刚度优化及刚度均匀化研究不够全面、深入;滑床板弹片、基本轨轨撑、滑床台扣压部位等存在断裂病害;焊接垫板脱焊;设有转换凸缘的心轨对轮载、工艺及原材缺陷敏感度高,少量心轨转换凸缘出现裂纹;电务锁钩在转换凸缘上的作用点偏下,在心轨、翼轨间夹杂异物时,锁闭表示失效,造成安全隐患。

另外,结合广深港高速铁路(香港段)道岔设计输入要求,除优化、改进和提高道岔整体性能外,扣件系统、尖轨、心轨轨型等须采用符合EN标准或在欧洲铁路有运营业绩的成熟技术。

2 道岔的平面设计

2.1 设计原则及参数

平面线型的设计直接影响车辆以设计速度过岔时的平稳性和安全性,须以满足运行速度、安全性、平稳性及可靠性要求为前提,兼顾经济适用和满足节能、节地、环保及绿色可持续发展等要求,尽量缩短道岔长度,并合理确定设计原则及动力学参数、各部间隔尺寸、转辙设备安装及制造工艺性、零部件的互换性等,满足少维修、易维修等要求。

产品基础理论数据主要有:1)轴重为17 t。2)轨距1 435 mm。3)容许通过速度为直向不大于200 km/h,侧向不大于50 km/h。4)动能损失容许值ω0≤0.65 km2/h2;未被平衡的离心加速度容许值:α0≤0.5 m/s2～0.65 m/s2;未被平衡的离心加速度增量容许值:φ0≤0.5 m/s3。5)采用符合EN标准的扣件系统。6)尖轨心轨采用符合EN标准的钢轨轨型。7)采用可动心轨辙叉。8)轨下基础:无砟轨道+长岔枕埋入式。9)道岔与区间钢轨连接为无缝连接形式。10)电务转换系统锁闭可靠、易于养护。

2.2 平面主要几何尺寸

在道岔号数、轨距、尖轨、辙叉平面形式确定的情况下,一定的轨距范围内,容纳导曲线半径也是有限的,即一定的道岔号数对应一定大小的导曲线半径。平面几何尺寸的确定,要考虑线路布置和节约占地面积,参考既有12号道岔常用几何尺寸及线路设计要求,确定为总长43.200 m(前长16.592 m,后长26.608 m)。

导曲线半径的选择,以满足尖轨尖端轨距不加宽及车轮逆向进岔冲击角不超过允许限值为前提,将R350 m单圆曲线优化为“R1450 m+R2350 m”复曲线(如图1所示),同时,借鉴成熟线型设计方法,为提高尖轨尖端粗壮度和耐磨性,延长服役寿命,导曲线前部采用相离式线型(R1相离9.5 mm,R2相离25 mm)设计,使小断面轨头粗壮度提高0.5%～10%左右,并在R1450 m曲线前部采用半切线及补充刨切的设计方法,实现藏尖保护(见图2)。

这种线型设计,能改善列车顺向出岔或逆向进岔时的运行条件,减缓列车顺向出岔时对基本轨的冲击与磨耗,有利于提高行车平稳性和旅客舒适性。

2.3 动力学参数

1)按主导曲线R350 m半径对道岔动力学指标进行计算,结果如图3所示。

2)动力学参数计算(见表1)。

表1 动力学参数计算表

3)外轨欠超高。我国《铁路线路维修规则》规定:未被平衡欠超高,一般应不大于75 mm,困难情况应不大于90 mm。

I=7.6V2/R=7.6×50×50/350=54.3 mm<75 mm。

由上述参数计算可知,道岔线型设计能够满足侧向通过速度50 km/h的运营要求,同时具有一定的安全储备。

2.4 岔枕排布

从提高列车直向过岔平顺性和便于电务转换装置设计、安装等角度考虑,岔枕按垂直于道岔直股方向布置,根据TB 10621高速铁路设计规范的规定,道岔区段混凝土岔枕按每千米铺设1 667根布置(即岔枕间距600 mm)。在牵引点处按照电务转换设备安装空间需求,岔枕间距调整为650 mm(牵引点两侧为575 mm)。岔枕长度从2.6 m开始,按0.1 m级差进级,最长岔枕为4.79 m,道岔跟端部分位置考虑到长岔枕制造工艺限制,采用“长枕+1.1 m短岔枕”的布置方式。转辙机采用托板安装方式,按需要对牵引点两侧岔枕加长。

2.5 扣件系统设计

扣件系统是无砟轨道的重要组成部分,设计输入要求道岔区和区间线路扣件系统均采用符合EN标准或在欧洲铁路有使用业绩的成熟扣件系统。目前,国内高速铁路应用的成熟无砟道岔扣件系统主要有两类:一是自主研发高速铁路道岔普遍采用的“Ⅱ型扣件+弹性基板”结构[1];二是技术引进法国科吉富公司的Vossloh 300W结构。从广深港高铁正线12号无砟道岔运营速度级别、刚度及符合EN标准、在欧洲铁路有使用业绩等要求综合考虑,采用Vossloh 300W系统。

300W扣件系统组成如图4所示,刚度主要通过板下聚氨酯弹性垫层实现,竖向位移及轨距调整分别通过调高垫板、轨距调整片实现。相对于国内扣件系统,为避免弹条扣压件螺栓和岔枕螺栓受剪破坏,设计了支撑板结构,支撑板底部凸出一定高度的楔形体,与岔枕表面同形状的凹槽较大面积接触,改善系统横向受力条件。工作状态下,轮轨间的横向力通过轨距块、轨距调整片等传至支撑板,又通过支撑板和岔枕之间的凸、凹配合结构传至岔枕及下部结构。弹条扣压螺栓和岔枕螺栓连接孔设计为长圆孔,在横向位移较小时保证横向力不直接传至岔枕螺栓。为避免支撑板凸出的楔形体破坏岔枕凹槽,在支撑板与岔枕间设2 mm厚垫片。同时,为验证受力位置设计的准确性,对该部位设计进行了力学分析(见图5)。

分析结果表明:在横向力作用下,支撑板向外和沿岔枕凹槽斜面向上运动的趋势受到锚固螺栓拉力的限制,向外的位移较小,对保护扣件螺栓是有利的。另外,为保证整个扣件系统适用性,按照EN 13146-4的要求,对扣件系统进行反复荷载试验,加载500万次后,系统零件磨损较小,支撑板的最大横向永久变形约为0.2 mm,弹性变形0.2 mm,满足广深港高铁线路运营要求。

2.6 转辙器部分结构设计

尖轨为弹性可弯结构,采用欧洲铁路应用的60E1A5钢轨制造。尖轨半切断面33.1 mm左右,考虑岔枕排布、尖轨伸缩和安装辊轮滑床板的需要,尖轨尖端至其后一根岔枕的距离确定为125 mm。

根据最小轮缘槽、牵引点动程、辙跟支距、尖轨跟端固定结构、岔枕排布、扣件安装及辙跟支距满足尖轨和基本轨的线路无缝化焊接空间等因素,通过计算,尖轨长度定为14 250 mm,同时考虑到尖轨跟端焊接要求,尖轨成型段长度为450 mm,可以满足现场重新焊接要求。转辙器设置三个牵引点,可动部分长度为12 150 mm,第一、二牵引点间设置密贴检查器(如图6,图7所示)。

香港属亚热带气候,全年气温较高,年平均温度为22.8 ℃,最大温差25 ℃。电务转换系统采用国内广泛使用的钩型外锁闭结构,为适应无缝线路伸缩位移要求,增加安全储备,避免转换设备卡阻,在尖轨跟端设置一组限位器,限位器子母块间隙为15 mm,传力精确,减小基本轨所受附加力。

为减少基本轨轨腰螺栓孔数量,增强轨腰强度,设置单孔顶铁,方便现场安装和线形调整;为保证道岔正常转换,设置防跳顶铁。基本轨内侧采用弹性夹扣压,提高基本轨抵抗外翻的能力,尖轨牵引点附近区域设有减摩辊轮滑床板(如图8所示)和防跳限位装置(如图9所示),滑床台及可动心辙叉部分台板滑动作用面设有40 μm厚、摩擦系数为0.25的减摩涂层,以降低转换阻力,减小转换不足位移,提高防锈蚀能力。

2.7 可动心辙叉结构设计

目前,直向通过速度200 km/h铁路道岔,普遍采用可动心轨辙叉结构,可动部分由长心轨与短心轨拼接而成。长心轨工作状态时位于道岔直股,跟部为单肢弹性可弯结构。短心轨工作状态位于道岔侧股,跟部为斜接头结构,与叉跟尖轨的贴合面之间保持一定间隙,保持斜接头的滑动性能的同时,有利于减小心轨扳动力和辙叉长度,目前,30号及其以下高速道岔均采用单肢弹性可弯式辙叉结构。

2.7.1 咽喉位置和心轨第一牵引点动程

咽喉位置关系到心轨第一牵引点的动程大小,而咽喉应选择在转辙机动程以内;其宽度应保证心轨与翼轨的最小轮缘槽满足要求,同时综合考虑心轨尖端结构、岔枕布置等因素,一般在120 mm～160 mm左右,设计确定为125.2 mm;心轨第一牵引点动程应选择在转辙机容许动程范围内,并考虑外锁闭的锁闭量极限及足够的转换余量,心轨第一牵引点动程确定为123 mm[2]。

2.7.2 弹性可弯中心

参考既有成熟的12号道岔,考虑弹性可弯中心与最后一个牵引点的距离、同时兼顾考虑短心轨跟端弯折、扣板或顶铁的设置和长心轨跟端扣板或弹条扣压的设置,合理确定弹性可弯中心的位置。

2.7.3 翼轨

选用自主研发高速道岔中普遍应用的轧制特种断面翼轨,其具有截面抗弯刚度大、无二次热成型、便于电务装置安装等优势。为提高辙叉整体横向稳定性,减小心轨位移,采用长翼轨结构,即将翼轨末端延伸至心轨跟端。同时,为更好传递无缝线路纵向力,保证翼轨整体框架刚度,在翼轨密外侧设置竖向轨撑,并采用HUCK螺栓连接(如图10所示)。

2.7.4 心轨

为保证长心轨在列车直向200 km/h运行条件下具有足够的强度,根据成熟技术,设计时,将长心轨轨头刨切起点为短心轨始端,短心轨20 mm宽度轨头处开始承受轮载;长、短心轨连接采用高强度螺栓连接。

考虑制造、安装公差及心轨变形,通过在长心轨尖端设置防跳间隔铁、间隔设置防跳顶铁两种方式实现心轨防跳;翼轨跟端传力结构采用“间隔铁+胶接”的形式,间隔铁设计为全断面接触加长型,胶接层厚度1 mm。

2.7.5 护轨

侧线设置用33 kg/m钢轨制造的分开式防磨护轨,为避免车轮爬上护轨,护轨顶面高出基本轨12 mm。护轨平直段防护范围为辙叉咽喉起至叉心顶宽72 mm处止,以减轻车轮对心轨的侧面磨耗,保证心轨与翼轨的密贴。护轨基本轨内侧采用弹性夹扣压。

2.7.6 道岔区垫板及其他零部件结构设计

针对组焊垫板结构强度低,台板等焊缝易于开裂、制造成本高等问题,对道岔区垫板实施铸造整体化设计,铸造垫板采用QT450-10,强度高,耐低温冲击,能够保证在低温运营条件下性能不降低[3-4]。

在导曲线部位应用了“TENCOIN”干式绝缘夹板(如图11所示),在满足轨道电路设计要求的前提下,避免了厂内加热胶接工艺,提高了线路养护维修效率。

2.8 电务转换设备

为解决转换卡阻、不足位移及锁闭失效等问题,道岔采用S700K钩型外锁闭装置、多机多点牵引方式(如图12所示),并在牵引点间设置密贴检查器,提高安全性。

2.9 岔区刚度均匀化

岔区刚度是影响道岔结构荷载、轮轨相互作用和结构振动的重要因素[5]。为满足列车过岔运行平顺性和舒适性要求,开展了刚度均匀化研究,通过合理设置板下垫层的刚度,达到刚度合理设置及分布均匀化的目的。主要均匀化措施有:

普通垫板节点刚度主要由300 W扣件中的板下聚氨酯弹性垫层提供,组装后可获得组装22.5 kN/mm的静刚度和约40 kN/mm的动刚度,与区间节点刚度基本相同(如图13所示)。

刚度设计时,将岔区分为转辙器、导曲线和辙叉三个单元分别进行(见图14)。

导曲线位置处的节点刚度与区间相同。通过对转辙器部位和辙叉部位的刚度进行分析计算,以区间静刚度22.5 kN/mm为设计基准,通过改变垫层几何尺寸和形状,岔对不同部位垫层刚度采用开孔设置进行微调,使不同部位垫层刚度均匀化,保证道岔整体刚度最大值不超过区间线路1.3倍,满足线路刚度均匀化的要求。均匀化前后直向过岔和侧向过岔轨道整体刚度对比见图15。

3 结语

广深港高速铁路(香港段)60 kg/m钢轨12号可动心轨辙叉单开道岔借鉴了自主研发高速道岔等成熟技术,在EN标准符合性、无砟轨道、无缝线路适应性等方面进行了关键技术研究,形成了以道岔线型优化、零部件结构设计、刚度均匀化、新型扣件系统、电务转换锁闭及密贴监控技术应用为主的较为完整的设计体系,有效解决了该型号道岔尖轨磨耗严重、无缝道岔适应性差、电务锁闭机构卡阻、舒适度低等问题,上道运营至今,服役状况良好,满足了广深港高速铁路建设需求,促进了道岔设计、制造水平提升。